Energy Use and Energy Efficiency Potential on Passenger Ships

Abstract

Energisystemer på passasjerskip har tradisjonelt vært basert på fossile brensler, som bidrar til store CO2-utslipp. Hovedfokuset har vært på å forbedre fremdriftssystemet på skip, mens fokus på å redusere energiforbruk i hotellsystemet har vært mangelfullt. Hotellsystemet på passasjerskip står for opptil 40 % av energiforbruket. For å effektivt redusere klimagassutslipp fra passasjerskip, er det derfor også viktig å ta hensyn til hotellsystemet.

Denne masteroppgaven er en del av prosjektet CruiZE (Cruising towards Zero Emissions), som er et samarbeid mellom SINTEF Energi, NTNU, Carnival Corporation & plc, samt norske leverandører av skipsutstyr og designløsninger. Det overordnede målet til CruiZE er å redusere energiforbruket til hotellsystemer på passasjerskip gjennom innovative designløsninger. Målet med masteroppgaven er å analysere energiforbruket på passasjerskip og mulige energisparingsløsninger, ved hjelp av bygningssimuleringsverktøyet IDA ICE.

Hotellsystemet til et cruiseskip ble modellert i IDA ICE, hovedsakelig basert på Color Lines skip Color Fantasy. Først ble viftekonvektorer med ubegrenset oppvarming og kjøling brukt i modellen. De første resultatene ble sammenlignet med energiforbruk på referanseskipene MS Birka Stockholm og et stort cruiseskip. Modellen ble deretter kalibrert ved å øke energiforbruket til tappevann og redusere ventilasjonsmengden i store kjøkken. Dette ga et totalt årlig energiforbruk på 19,2 MWh/passasjer for skipets hotellsystem. Energibehovet for fremdrift ble funnet å være 0,156 kWh/ALB-km. ALB (available lower berth) er tilgjengelige underkøyer, satt til to per lugar.

Etter kalibrering ble det utført en analyse av forskjellige måter å dimensjonere viftekonvektorer. Det resulterende termiske miljøet var omtrent likt ved bruk av design værdata i varme- og kjølesimuleringer og ved bruk av maksimal varme- og kjøleeffekt fra en årssimulering. For de fleste soner bortsett fra vaskerommet, kan viftekonvektorene være betydelig underdimensjonert uten å påvirke det termiske miljøet. Dimensjonering av viftekonvektorene påvirket ikke skipets årlige energiforbruk i vesentlig grad.

Skipets energiforsyningssystem, bestående av motorer og kjeler, ble tatt hensyn til gjennom etterbehandling av simuleringsdataene i MATLAB. To forskjellige brensler ble vurdert: marin gassolje (MGO) og flytende naturgass (LNG). En varmtvannstank på 150 m3 ble inkludert for å utnytte all ubrukt gjenvunnet varme fra motorer i MGO-skipet. Tanken ble også brukt til å redusere maksbehovet for kjeler fra 12,3 til 9,2 MW.

Flere energisparingsscenarier ble undersøkt for å finne deres effekt på energiforbruket og maks. energibehov. Av de undersøkte løsningene ga varmegjenvinning i ventilasjonen, VAV (variable air volume) ventilasjon og en luft-til-vann-varmepumpe de største reduksjonene i brenselforbruk. På MGO-skipet ble kjelenes årlige brenselforbruk redusert med henholdsvis 30, 23 og 66 %.

Den økonomiske lønnsomheten ble undersøkt for å finne løsningene som mest sannsynlig vil være egnet for implementering i et cruiseskip. Alle løsningene var mer lønnsomme på MGO-skipet enn på LNG-skipet, på grunn av at mer varme blir gjenvunnet fra LNG-motorer og at MGO er dyrere. Varmegjenvinning i ventilasjonen var tydelig lønnsomt på begge skip med en nåverdi over dobbelt så høy som investeringskostnadene. En luft-til-vann-varmepumpe var veldig lønnsom bare på MGO-skipet. Løsninger med periodevis redusert oppvarming hadde mindre reduksjoner i brenselforbruk, men de vil sannsynligvis være lønnsomme på grunn av lave investeringskostnader. VAV-ventilasjon var ikke lønnsomt nok til å anbefale.

I videre arbeid kan modellen brukes til å undersøke effektiviteten til andre energisparingsløsninger. Dette kan inkludere varmepumper som bruker lavtemperatur vann om bord som varmekilde, dampproduserende varmepumper, og en kombinasjon av varmepumper og termisk energilagring.

Energy systems on passenger ships have traditionally been based on fossil fuels, which contribute to large CO2 emissions. The main focus has been on improving the propulsion system on ships, while a focus on reducing the energy use in the hotel system has been lacking. Hotel systems on passenger ships account for up to 40% of the energy consumption. To efficiently reduce greenhouse gas emissions from passenger ships, it is therefore important to also consider the hotel system.

This master's thesis is a part of the project CruiZE (Cruising towards Zero Emissions), which is a collaboration between SINTEF Energy Research, NTNU, Carnival Corporation & plc, as well as Norwegian suppliers of ship equipment and design solutions. The overarching goal of CruiZE is to reduce the energy use of hotel systems on passenger ships through innovative design solutions. The aim of this master's thesis is to analyse the energy use on passenger ships and possible energy saving solutions, using the building simulation tool IDA ICE.

The hotel system of a cruise ship was modelled in IDA ICE, mainly based on Color Line's ship Color Fantasy. At first, fan coils with unlimited heating and cooling were used in the model. The initial results were compared to energy use on the reference ships MS Birka Stockholm and a large cruise ship. The model was then calibrated by increasing the demand for domestic hot water (DHW) and reducing the ventilation rate in large galleys. This gave a total annual energy consumption of 19.2 MWh/passenger for the ship's hotel system. The energy demand for propulsion was found to be 0.156 kWh/ALB-km. ALB is available lower berth, set to two per cabin.

After calibration, an analysis of different ways to size fan coils was performed. The resulting thermal environment was similar when using design day data in heating and cooling simulations and when using the maximum heating and cooling power from a one year simulation. For most zones apart from the laundry room, the fan coils could be significantly undersized without affecting the thermal environment. The fan coil sizing did not significantly impact the ship's annual energy consumption.

The ship's energy supply system, consisting of engines and boilers, was considered through post processing of the simulation data in MATLAB. Two different fuels were considered: marine gas oil (MGO) and liquefied natural gas (LNG). A hot water storage tank of size 150 m3 was included in order to utilise all unused recovered heat from engines in the MGO case. The tank was also used to reduce the peak demand for boilers from 12.3 to 9.2 MW.

Several energy efficiency scenarios were investigated to find their effect on the energy consumption and peak energy demand. Of the solutions investigated, ventilation heat recovery, variable air volume (VAV) ventilation and an air-to-water heat pump gave the largest reductions in fuel consumption. On the MGO ship, the annual boiler fuel consumption was decreased by 30, 23 and 66%, respectively.

The economic profitability was investigated to find the solutions most likely to be suitable for implementation in a cruise ship. All solutions were found to be more profitable on the MGO ship than on the LNG ship, due to more heat being recovered from LNG engines and MGO being more expensive. Ventilation heat recovery was clearly profitable on both ships with a net present value (NPV) more than twice as large as the investment costs. An air-to-water heat pump was very profitable only on the MGO ship. Solutions with heating setback had smaller reductions in fuel consumption, but they are likely to be profitable due to low investment costs. VAV ventilation was not profitable enough to recommend.

In further work, the model could be used to investigate the effectiveness of other energy saving solutions. This could include heat pumps utilising low temperature water on board as a heat source, steam producing heat pumps, and a combination of heat pumps and thermal energy storage.